Robot Magnetische Encoder Sensor Demagnetisatie bij hoge temperatuur – Oplossingen voor continu gebruik

I. Het probleem: het verborgen risico van falen van de robot

In industriële robots, collaboratieve robots en precisieservosystemen spelen magnetische encoders een cruciale rol als ‘gewrichtssensoren’. Ze detecteren veranderingen in het magnetische veld van de encoderschijf (magnetische ring) en geeft real-time feedback over motortoerental en positie. Een probleem dat gemakkelijk over het hoofd wordt gezien, is echter dat wanneer robots continu onder hoge temperaturen werken, de magnetische encoderschijf bij  hoge temperaturen kan worden gedemagnetiseerd , wat kan leiden tot positiefeedbackdrift, verhoogde stroom en zelfs stapverlies.

Ingenieurs zijn dit tegengekomen bij het debuggen in de echte wereld: wanneer de motor boven de 80 °C draait, wordt de positiefeedback geleidelijk onnauwkeurig, en na grondige controles wordt de hoofdoorzaak teruggevoerd op demagnetisatie bij hoge temperaturen van de magnetische encoder. Voor industriële robots die gedurende lange perioden continu moeten draaien, is dit probleem vooral van cruciaal belang: het heeft niet alleen invloed op de nauwkeurigheid van de bewerking, maar kan ook leiden tot defecten aan apparatuur of zelfs veiligheidsincidenten.

Momenteel zijn de twee meest gebruikte materialen voor magnetische encoderschijven  spuitgegoten ferriet  en  een rubberen magneet  (ook wel flexibele ferrietmagneet genoemd). Waarom demagnetiseren deze twee materialen bij hoge temperaturen, en hoe kan dit worden opgelost? Dit artikel biedt een diepgaande analyse vanuit het perspectief van materiaaleigenschappen, demagnetisatiemechanismen en oplossingen.

II. Twee veel voorkomende materialen en hun temperatuurkenmerken

1. Spuitgegoten ferriet

Spuitgegoten ferriet wordt gemaakt door nylon (of andere thermoplastische harsen) te mengen met ijzeroxidepoeder om pellets te vormen, die vervolgens worden verwerkt door middel van spuitgieten. De voordelen zijn onder meer een hoge vormvrijheid, uitstekende maatnauwkeurigheid en geschiktheid voor massaproductie. Op het gebied van magnetische encoderschijven kunnen spuitgegoten ferrietringen met meerdere polen nauwkeurig worden gemagnetiseerd en worden ze veel gebruikt in motorbesturing en robotverbindingen.

Spuitgegoten ferriet heeft echter een aanzienlijke tekortkoming:  hoge temperatuurgevoeligheid . Bij verhoogde temperaturen gaan de magnetische eigenschappen ervan achteruit en kan demagnetisatie optreden. Normaal gesproken ligt het bedrijfstemperatuurbereik van spuitgegoten ferriet tussen -40 °C en 120 °C; buiten dit bereik beginnen de magnetische prestaties af te nemen. Zorgwekkender is dat spuitgegoten ferriet een relatief lage coërciviteit heeft, waardoor het niet alleen gevoelig is voor externe magnetische velden, maar ook voor onomkeerbaar magnetisch verlies bij hoge temperaturen.

2. Rubberen magneet (flexibele ferrietmagneet)

Rubbermagneten worden gemaakt door gebonden ferrietpoeder te mengen met synthetische rubbers (zoals nitrilrubber of chloropreenrubber) en vervolgens te verwerken via kalanderen, extrusie of spuitgieten. Ze zijn flexibel, elastisch en snijdbaar, en worden ook veel gebruikt in magnetische encoders.

Conventionele rubberen magneten hebben doorgaans een bovenste bedrijfstemperatuurlimiet van ongeveer  80 °C . Gewone rubbermagneten vertonen een magnetische demping van minder dan 3% na 72 uur bij 80 °C; Als de temperatuur echter verder stijgt, neemt het risico op demagnetisatie aanzienlijk toe. Opgemerkt moet worden dat de temperatuurbestendigheid van rubberen magneten voornamelijk wordt bepaald door de rubbermatrix. Door gebruik te maken van hittebestendige rubbers zoals siliconenrubber kan de bovengrens worden verhoogd tot 150-200 °C.

III. Fysisch mechanisme van demagnetisatie bij hoge temperaturen: magnetische domeinen 'verliezen richting' bij thermische beweging

Om demagnetisatie bij hoge temperaturen te begrijpen, moet men eerst begrijpen waarom magnetische materialen magnetisch zijn.

Het magnetisme van een materiaal komt voort uit de geordende uitlijning van kleine magnetische gebieden binnen het materiaal –  magnetische domeinen . Bij kamertemperatuur zijn deze domeinen grotendeels in dezelfde richting uitgelijnd, waardoor macroscopisch magnetisme ontstaat. Wanneer de temperatuur stijgt, wordt de thermische beweging van atomen binnen de domeinen intenser, waardoor de oorspronkelijk geordende domeinstructuur wordt verstoord en de magnetische momenten gaan afwijken. Als gevolg hiervan nemen zowel de  remanentie (Br)  als  de coërciviteit (Hc)  van de magneet in verschillende mate af, wat zich manifesteert als een verzwakking van de magnetische veldsterkte.

Voor spuitgegoten ferriet- en rubbermagneten is de situatie complexer: beide materialen zijn  gebonden magneten -  samengesteld uit magnetisch poeder (ferrietpoeder) vermengd met een polymeerbindmiddel. Hoge temperaturen beïnvloeden niet alleen de rangschikking van het magnetische domein van het poeder zelf, maar veranderen ook de eigenschappen van het bindmiddel (verzachting, veroudering, enz.), wat op zijn beurt de dispersie van het poeder en de algehele magnetische prestaties beïnvloedt.

Het is belangrijk om onderscheid te maken tussen twee soorten demagnetisatie bij hoge temperaturen:

·  Omkeerbare demagnetisatie : de magnetische prestatie neemt af naarmate de temperatuur stijgt, maar herstelt zich wanneer de temperatuur weer normaal wordt.

·  Onomkeerbare demagnetisatie : wanneer de temperatuur een bepaalde drempel overschrijdt, verandert de domeinstructuur permanent en kunnen de oorspronkelijke magnetische eigenschappen zelfs na afkoeling niet worden hersteld.

Voor continu gebruik van de robot is de meest kritische zorg  de onomkeerbare demagnetisatie.  Zodra deze optreedt, zal de magnetische signaalsterkte van de encoderschijf permanent worden verminderd, wat de meetnauwkeurigheid van de encoder direct in gevaar brengt.

IV. Systematische oplossingen

Om de demagnetisatie bij hoge temperaturen van spuitgegoten ferriet- en rubberen magneet-encoderschijven aan te pakken, kunnen oplossingen worden nagestreefd vanuit twee dimensies: het materiaalniveau en het systeemontwerpniveau.

Oplossing 1: optimalisatie en upgrade op materiaalniveau

1. Selecteer spuitgegoten ferrietsoorten die bestand zijn tegen hoge temperaturen

De bedrijfstemperatuur van spuitgegoten ferriet staat niet vast. Door de magnetische poederformulering en het bindmiddelsysteem te optimaliseren, kan de temperatuurbestendigheid ervan aanzienlijk worden verbeterd. Ferrietmaterialen die nylon 6 of PPS (polyfenyleensulfide) als bindmiddel gebruiken, hebben bijvoorbeeld bevredigende testresultaten opgeleverd bij ongeveer 180 °C. Onderzoek wijst uit dat het toevoegen van een geschikte hoeveelheid TAF-smeermiddel de stroombaarheid en magnetische eigenschappen van pellets kan verbeteren; oppervlaktebehandeling van het magnetische poeder met koppelmiddelen kan ook de prestaties van spuitgegoten magneten effectief verbeteren.

2. Selecteer rubberen magneten die bestand zijn tegen hoge temperaturen

Conventionele rubberen magneten hebben een boventemperatuurlimiet van 80 °C, maar door gebruik te maken van rubbersystemen voor hoge temperaturen (bijvoorbeeld door gewoon rubber te vervangen door siliconenrubber), kan de bovengrens worden verhoogd tot 150-200 °C. Gepatenteerde technologieën hebben aangetoond dat met de juiste formulering en procesoptimalisatie van rubbersystemen voor hoge temperaturen met ferrietpoeder, de maximale gebruikstemperatuur van rubberen magneten 120-170 °C kan bereiken. Gemengde rubbersystemen zoals SR/NBR vertonen ook een goede thermische stabiliteit boven 120 °C.

Bij de praktische keuze wordt aanbevolen om de temperatuurclassificatie van het materiaal af te stemmen op het bedrijfstemperatuurbereik van de apparatuur.

Oplossing 2: systeemontwerp en thermisch beheer

1. Optimaliseer het ontwerp van de warmteafvoer

Omdat demagnetisatie bij hoge temperaturen uiteindelijk wordt veroorzaakt door te hoge temperaturen, is effectief thermisch beheer de meest directe aanpak. Specifieke maatregelen zijn onder meer:

·  Het toevoegen van  koellichamen of geforceerde luchtkoeling  rond de encoder om de bedrijfstemperatuur van de magnetische ring te verlagen.

·  Het plaatsen  van thermische isolatiestructuren  tussen de motorwikkelingen en de encoder om de warmteoverdracht te blokkeren.

·  Gebruik van  watergekoelde mantelontwerpen  om continue koeling onder hoge temperaturen te bereiken.

2. Reservemarge bij het ontwerpen van magnetische circuits

Tijdens de ontwerpfase van het magnetische circuit kan een passende  fluxmarge  worden gereserveerd om gedeeltelijk magnetisch verlies bij hoge temperaturen te compenseren, waardoor stabiele prestaties gedurende de hele levenscyclus van het product worden gegarandeerd.

3. Controleer de temperatuur van het spuitgietproces

Bij de vervaardiging van de magnetische encoderschijf moet aandacht worden besteed aan het beheersen van de verwerkingstemperatuur tijdens het spuitgieten, waarbij buitensporige temperaturen worden vermeden die de magnetische eigenschappen zouden kunnen beschadigen.

V. Samenvatting

De demagnetisatie van spuitgegoten ferriet- en rubberen magneet-encoderschijven bij hoge temperaturen is in wezen een fysiek proces waarbij thermische beweging de geordende magnetische domeinstructuur verstoort, waardoor de magnetische orde wordt verminderd. Dit probleem is vooral prominent aanwezig bij continu robotbedrijf.

Oplossingen kunnen vanuit twee niveaus worden benaderd:  op materiaalniveau , door het selecteren van tegen hoge temperaturen bestendige soorten spuitgegoten ferriet of tegen hoge temperaturen bestendige rubberen magneten;  op systeemniveau , door de warmteafvoer te optimaliseren, een goed thermisch beheer te implementeren en fluxmarges te reserveren in het ontwerp van de magnetische circuits.

In echte technische toepassingen is het raadzaam om de meest geschikte oplossing uitgebreid te evalueren en te kiezen op basis van het specifieke temperatuurbereik, het kostenbudget en de nauwkeurigheidsvereisten. Voor een robot die gedurende lange perioden stabiel moet werken, is de betrouwbaarheid van elk 'gewricht' immers van cruciaal belang voor het algehele succes.